LNG衛(wèi)星站冷能制冰與發(fā)電工藝模擬分析

孟 龍, 盧朝霞，黃福川, 黃伊琳，劉宇恒

（廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530004）

LNG衛(wèi)星站冷能制冰與發(fā)電工藝模擬分析

孟 龍, 盧朝霞，黃福川, 黃伊琳，劉宇恒

（廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530004）

因?yàn)長(zhǎng)NG存在著豐富的壓力火用與低溫火用，為了能夠充分利用所存在的各種形式的火用，提高能源的利用率，所以選擇比較合適的冷能利用方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且通過HYSYS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)果表明對(duì)于氣化量10×104(m3/d)的LNG氣化站全年的制冰量0.11億t，全年發(fā)電量功率約為5.92×104kW，壓縮機(jī)的耗功率為5×104kW，年產(chǎn)值達(dá)1.1億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

LNG衛(wèi)星站；制冰；發(fā)電；HYSYS

LNG（liquefied natural gas）是天然氣經(jīng)過脫水、脫硫與低溫技術(shù)液化處理而成的無色、無味、無毒且透明的低溫液體混合物，其存儲(chǔ)的溫度約為-162 ℃，主要成分是甲烷。生產(chǎn)1 t LNG需要耗電量850 kW·h。當(dāng)LNG在1 atm壓力下氣化時(shí)，溫度由-162℃上升到5 ℃釋放的冷量約為230 kW/t[1]。傳統(tǒng)的工藝是將LNG直接加熱或者是和海水換熱的方式將LNG加熱到5 ℃以上，這不僅造成大量的能源浪費(fèi)而且引起冷污染。LNG衛(wèi)星站是小型的LNG氣化站和接收站，是用來接收來自沿海地區(qū)液化天然氣以及氣化后供工業(yè)用戶、商業(yè)用戶和居民使用的二級(jí)氣源站[2]。對(duì)于氣化量為10×104m3/d的小型LNG衛(wèi)星站，可利用的冷功率將近1 MW，每年可節(jié)約電能約數(shù)百萬度[3]。LNG冷能利用的研究已經(jīng)涉及到發(fā)電[4]，空分[5]，低溫粉碎[6]，冷庫(kù)[7]，空調(diào)[8]等等。王靜玲[9]等提出冷能用于制冰工藝的流程圖, 況岱坪[10]等對(duì)制冰工藝做了優(yōu)化，但是LNG-162 ℃超低溫與制冰需要的溫位不匹配，并且LNG本身存在的壓力火用都被浪費(fèi)，所以有必要更進(jìn)步一步的研究，怎樣合理的利用LNG的壓力火用與低溫火用，提高能源的利用率。

1 LNG衛(wèi)星站

由于我國(guó)大力開發(fā)和引進(jìn)天然氣啟動(dòng)的較晚，天然氣在我國(guó)終端能耗的比例為4.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平24%。隨著北方地區(qū)霧霾肆虐，空氣污染越發(fā)嚴(yán)重，治理空氣污染已經(jīng)到了刻不容緩的地步，而造成環(huán)境污染關(guān)鍵因素之一就是煤炭石油燃料的使用。而最近的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》中把天然氣到2020年的所占一次能源比例提高到10%以上。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家城市化的進(jìn)程加快，中小城市得到了快速的發(fā)展，而城市燃?xì)馐浅鞘械闹匾A(chǔ)設(shè)施和現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，隨著國(guó)家天然氣的深入推廣，LNG每年的進(jìn)口量和生產(chǎn)量的不斷增加，而作為中小城市燃?xì)夤?yīng)中心的LNG的衛(wèi)星站也得到的廣泛的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)已建成的衛(wèi)星站多達(dá)200多個(gè),是城鎮(zhèn)液化天然氣供應(yīng)的主要站場(chǎng)，承擔(dān)著存儲(chǔ)上游LNG的氣化供給下游用戶使用的作用。

LNG衛(wèi)星站是一種小型的LNG接收和氣化站[11],建設(shè)具有以下特點(diǎn)：LNG 衛(wèi)星站建站投資規(guī)模小；可以和天然氣輸氣管道相互配合以解決LNG衛(wèi)星站的調(diào)峰問題；建站周期短，若需建成一定規(guī)模的LNG 衛(wèi)星站大約用半年時(shí)間便可；同時(shí)，LNG衛(wèi)星站的建站投資較少，相對(duì)于城鎮(zhèn)的管網(wǎng)輸送，能節(jié)約1/ 3 以上的建設(shè)投資[12]。

1.1 衛(wèi)星站一般工藝

衛(wèi)星站工藝流程圖見圖1。

圖1 衛(wèi)星站工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of LNG satellite station

衛(wèi)星站中的LNG被送入LNG泵中，加壓后送入空溫式汽化器中，加熱到5 ℃送入下游天然氣管網(wǎng)，如果空溫式汽化器無法滿足時(shí)，LNG通過水浴式氣化器換熱，最終LNG儲(chǔ)存的低溫火用完全浪費(fèi)到空氣中。

1.2 LNG衛(wèi)星站冷能利用方案的選擇

LNG衛(wèi)星站相對(duì)于大型LNG氣化站氣化量相對(duì)較少，但是直接面對(duì)下游用戶，可以直接提供冷能附加產(chǎn)品給下游用戶，所以包括LNG發(fā)電，制冰，冰蓄冷空調(diào)，冷凍倉(cāng)庫(kù)等等。由于隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用電量勢(shì)必每年都會(huì)高速的增加，而膨脹發(fā)電也可以削減用電量的峰谷差，同時(shí)市場(chǎng)對(duì)于冰需求量大，廣泛用于超市的保鮮，冷凍冷藏，醫(yī)療，化工，食品等各個(gè)行業(yè)，因此具有良好的市場(chǎng)前景。本工藝選擇膨脹發(fā)電與制冰工藝相結(jié)合的方式，不但能利LNG存在的低溫火用而且也不浪費(fèi)LNG中可觀的壓力火用，使經(jīng)濟(jì)效益最大化。

2 LNG用于制冰方案的設(shè)計(jì)與分析

2.1 工藝流程圖

圖2是LNG冷能利用流程圖，LNG從儲(chǔ)罐出來，經(jīng)LNG泵1加壓到3 MPa后分成兩股，一股經(jīng)空氣加熱型汽化器5加熱汽化，然后經(jīng)過調(diào)壓閥10調(diào)壓進(jìn)入燃?xì)夤芫W(wǎng)。另一股經(jīng)過LNG換熱器后進(jìn)入空氣加熱型汽化器4汽化后溫度升高到15 ℃，在進(jìn)入透平機(jī)7膨脹發(fā)電，溫度降低-68 ℃，通過制冰設(shè)備15b升溫，在通過空氣加熱型汽化器5加熱，經(jīng)調(diào)壓閥10調(diào)壓進(jìn)入燃?xì)夤芫W(wǎng)。

圖2 LNG 衛(wèi)星站冷能利用工藝Fig.2 The Use of Cold Energy in the LNG Satellite Station

在LNG換熱器11中與LNG換熱后的R410a進(jìn)入12冷媒儲(chǔ)液罐中經(jīng)15制冰設(shè)備后氣化成氣體，釋放冷量。當(dāng)夏季用氣量不足，電壓縮機(jī)可提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)制冰流程，這樣可以緩解夏季需冰量多，可利用的LNG冷量少的矛盾。

本工藝流程的創(chuàng)新之處是同時(shí)利用LNG的低溫火用與壓力火用，在LNG換熱后直接膨脹發(fā)電后，又產(chǎn)生了低溫的LNG同時(shí)用做制冰工藝，這樣配合前部分的制冰工藝，使制冰的產(chǎn)能增加。夏季用氣量不足時(shí)，可以靠冷能發(fā)電驅(qū)動(dòng)電壓縮機(jī)帶動(dòng)制冷流程增加夏季的產(chǎn)冰量，從而消除夏季的產(chǎn)冰量不足的問題。

2.2 模擬計(jì)算

采用HYSYS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖3 HYSYS計(jì)算模擬工藝流程圖Fig.3 Process simulation of the HYSYS

模擬LNG衛(wèi)星站的供氣能力為10×104（m3/d）。LNG的組分中，各物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：甲烷83.28%，乙烷12.04%，丙烷3.16%，異丁烷0.53%，正丁烷0.69%，異戊烷0.04%，氮0.26%。LNG的溫度一般為-159 ℃，壓力為0.2 MPa，汽化后輸入管網(wǎng)的溫度15 ℃。LNG泵的效率為75%，膨脹機(jī)的效率70%，壓縮機(jī)的效率35%。根據(jù)文獻(xiàn)[13]LNG膨脹發(fā)電的溫度-68 ℃。HYSYS軟件的計(jì)算工藝流程（見圖3）。

分別取5×104與10×104氣化量作為夏季與冬季的氣化量,并且冬季只由LNG的冷能制冰，而不啟動(dòng)壓縮機(jī)提供動(dòng)力(表1)。在夏季用氣量不足時(shí)，LNG 存在的冷能不足時(shí)，可以由壓縮機(jī)提供動(dòng)力。

表1 工藝關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)模擬Table 1 Simulation result of process key operating parameters

從以上結(jié)果可以看出對(duì)于每天的氣化量分別為5×104m3和10×104m3的氣化站冰量與電量如表2所示。

通過以上工藝對(duì)于氣化量為10×104(m3/d)的LNG氣化站全年的制冰量達(dá)0.11億t，按照10元/t的價(jià)格，則年制冰產(chǎn)值約1.1億元，壓縮機(jī)的耗功率50 000 kW，驅(qū)動(dòng)電壓縮機(jī)后，發(fā)電量仍有結(jié)余可以為供給日常用電。

表2 模擬結(jié)果處理Table 2 The simulation results kW

3 結(jié)束語

（1）通過制冰工藝與發(fā)電工藝分別利用LNG存在的冷能和壓力能，大大提高了能源的利用率。

（2）利用發(fā)電產(chǎn)生的電能配合電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)制冰流程，來解決因季節(jié)性因?yàn)橛脷饬坎蛔阋鸬闹票繙p少的問題。

（3）制冰工藝年產(chǎn)值達(dá)1.1億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有良好的市場(chǎng)推廣性。

［1］李靜,李志紅,華賁.LNG冷能利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].天然氣工業(yè),2005,25(5):103-105.

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Process Simulation of Ice-making and Power Generation Utilizing Cold Energy From LNG Satellite Station

MENG Long, LU Zhao-xia, HUANG Fu-chuan , HUANG Yi-lin, LIU Yu-heng
（Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Guangxi Nanning 530004，China）

Due to the existence of rich pressure energy and low temperature energy in LNG, in order to make full use of the existing energy, a suitable way was chosen for the design of cold energy utilization, and the simulation calculation was carried out by the HYSYS software. The results show that the gasification rate of 10×104(m3/d) LNG has about 11 Mt/a ice making capacity, the annual power generation is about 5.92×104kW, compressor power consumption rate is about 5×104kW and the annual output value is about 110 million Yuan, the economic benefit is remarkable.

LNG satellite station；Ice making；Power generation；HYSYS

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）11-2665-03

2015-06-08

孟龍（1988-），男，河南三門峽人，碩士研究生，廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院制冷及低溫工程專業(yè)，研究方向：LNG的冷能利用。E-mail：283454438@qq.com。

黃福川（1963-），男，教授，博士，研究方向：石化及可再生能源利用。E-mail：huangfuchuan@gxu.edu.cn。